Egyszerű elektronika: Szuperkapacitás

 

Az előző cikkben a kapacitásokról volt szó, a dinamikus viselkedéséről és a komplexitásáról. Ebben a leírásban pedig a töltések és az energetikai jellemzői kerülnek terítékre....
Először egy kis kitérő a villamos mennyiségek földjére: a Farad. A faraddal jellemezzük azt a mennyiségű töltést, ami 1 volt feszültségkülönbséget hoz létre. A töltés mértékegysége a Coulomb (tisztelegve Charles-Augustin de Coulomb előtt), - ennyi töltést 1 Amper áram 1 másodperc alatt mozgat meg.

Amikor el kezded beleásni magadat ebbe a területbe, akkor emlékezz arra, hogy az SI mértékrendszer segítségével vált érthetővé és követhetővé az egész villamos mértékrendszer. E mérték- és szabályrendszer nélkül több bekezdés csak a konvenciók lefektetéséről szólna - mint például a farad, mint mértékegységről. Így definíciószinten a modellezés is sokkal könnyebb, hisz'' visszatérve a példánkhoz: a víz mennyisége a töltést adja (coulomb), a helyzeti/potenciál-energiát a magasság (volt) és az időegység alatt átfolyó vízmennyiséget (amper) is mérhetjük. A modellünk persze sántít - hiszen ezért modell), de az áramkör jellemzőinek bemutatására nagyon jól használható.

De vissza a Farad-hoz...

A Farad nagyon nagy érték a legtöbb kapacitáshoz. Ezért a uF (mikroFarad (10-6)), nanoFarad (10-9) illetve a pikoFarad (10-12) a használt mennyiség-mértékegység. A mF (miliFarad) szintén nem használt. Gyakran használt töltéstárolók még az elemek/akkumulátorok, azonban a töltések tárolása itt nem egyszerű elektromos energiaként, hanem kémiai átalakulás eredményeként történik. A Farad, mint töltés-mennyiséget - itt is használhatjuk. Itt meg túl apró lesz. Nézzük meg az egyszerű elemünket, mely főbb jellemzői: AA kivitel, 1.5V, 2500 mAh . Ám ha kondenzátorként nézem:

  1. 2500 mAh azt jelenti, hogy egy órán keresztül képes 2500 mA (2.5A) áramot biztosítani: Ez 2.5 A x 3600 s =9000 As
  2. Az Amper definíciója: 1 coulomb töltés áramlása egy másodperc alatt, - így az elem 9000 Coulomb töltést tárol.
  3. Az elemen mérhető feszültség 1.5V
  4. Így 9000 C / 1.5V = 6000 coulomb töltés jut 1V-ra
  5. Ez azt jelenti, hogy az elemünk 6000 Farad-os kondenzátornak tekinthető!

Képzeld el, hogy micsoda hibát lehet elkövetni. A legkisebb pF és Farad közt 15 nagyságrend (10 ^15) a kölönbség! Így a nullák számát nagyon jól nézd meg minden esetben!

Valahol a normál kondenzátorok és az akkuk közt helyezkedik el a SuperCap - nagykapacitású kondenzátor.

 

Szuperkapacitás

Ez ténylegesen kondenzátor, ám a kapacitása óriási a hagyományos kondenzátorokhoz képest. A képen látható kapacitás 0.47 F. Nem mili, nem mikro, nano vagy piko. A supercap eszközökviszonylag újak még, és jellemzően 2.7 vagy 5.5V maximum feszültség kapcsolható rájuk. A SuperCap-ok hasonlítanak a tölthető elemekre.A ráadott töltést jónéhány órán át megőrzik, ám a belső szivárgóáramuk a standard kondenzátorhoz képest jelentős. Ezt modellezni úgy tudod, hogy a kondenzátorral párhuzamosan mintha egy ellenállás lenne bekötve. Ha egy kapcsolási rajzon találkozol vele, az egyik kivezetése a GND-re csatlakozik. Általában valami ilyet láthatsz a leggyakrabban a kondenzátoroknál:

Hogyan lehetne a kondenzátorok leggyakoribb felhasználási területét megnevezni? Talán a legjobb szó rá: töltésbuffer.

És miért lehet ezt mégis úgy összefoglalni a kondenzátor működését: változó ellenállás? Ez biztosan magyarázatra szorul...
Ha a baloldali ábrán a + ágat 3.3V-ra kötjuk, akkor a kondenzátor 3.3V-ra töltődik fel, és... ezután a töltődése megáll. De, hogyha a 3.3V megváltozik - akkor a kondenzátor jellemző tulajdonsága kerül előtérbe: ha a feszültség csökken, a kondenzátor magasabb potenciálra kerül és a töltést visszaadja az áramkörbe, amígy a feszültsége azonos nem lesz a betáplálási feszültséggel. Ha a bemenetén a feszültség nő, akkor a kondenzátorba töltések áramlanak - az addig tart, míg a kondenzátor feszültsége el nem éri a környezetét. Az első esetben forrás, a második esetben nyelőként viselkedik a kapacitásunk.
A működése azonos a tölthető elemekével. Ha a kapocsfeszültségénél nagyobb feszültséget kapcsolunk rá, akkor az akku töltődni kezd. Ha alacsonyabbat, akkor a töltések egy részét leadja. Sőt, ha valamilyen fogyasztót kötünk rá, szintén merülni kezd.

A jobboldali ábrát nevezik alacsony áteresztő RC-tagnak (angolul low pass RC filter). Mivel a lassan változó jelet jól követi, a nagyfrekvenciásnak alig van hatása rá.
A baloldali ábrát digitális áramkörökben használják sokat, mivel a zajt (gyorsan változó, véletlenszerű jel) így ki lehet szűrni a tápfeszültségből. Ez a zaj sokmindentől keletkezhet: az áramköri kapcsolók, az áramváltozások is ilyet okoznak. Ezek kivédésére 0.1uF kerámiakondenzátort használunk. De ezt hidegítő kondenzátornak is hívjuk mivel a nagyfrekvenciaát  átengedi, így a gerjedés nem tud kialakulni.

A jobboldali áramkör különböző helyeken, különféle kombinációkban sokszor kerül használatra. Használhatjuk jelszűrésre, tápellátás zajmentesítésre. Egyik célszerű felhasználása a PWM jelsorozat analóggá alakítása:

A pwm magas jelszintje mindig azonos feszültségszintet jelent (Vcc), míg a PWM alacsony jelszintje minden esetben GND! A kapott jelsorozattal minden esetben a minimum és a maximum közötzi értéket akarunk jellemezni.

Néhány egyszerű számítással lehetséges megnézni, hogy mi történik ekkor a rendszerben.Az egyik kulcsszó az RC tag időállandó. Ennek szép matematikája van és visszaköszön a kondenzátor komlplex volta is benne. Ezeket a levezetéseket itt a cikkben most kihagynám. Ha kíváncsi vagy mégis rá: Low Pass Filter (Wikipedia).

A szuperkapacitások sok játékra adnak lehetőséget. Könnyebben vizsgálhatóak velük a jelenségek, mivel  miden folyamat lassabban történik velük. A "lomhaságuk" oka a nagymennyiségű töltés, amit tárolni és leadni képesek. A szuperkapacitások annyi energiával rendelkeznek, hogy például egy LED-et is képesek meghajtani (a soros áramkorlátozó ellenállásról ne felejtkezz el!). Ahogy merül a kondenzátor, úgy csökken a LED fényereje.

Jónéhány jelenség vizsgálható a feszültségváltozás és az eltelt idő függvényében, például egy szuperkapacitás-LED-ellenállás összeállításban. A mérések során az ohm-törvénnyel tudunk számolni, a LED fényessége ellenőrizhető (legalább szemre). Mérni feszültségeket sok ponton tudunk. Ugye felmerül, hogy ehhez profi műszerpark kellene: például egy adatgyűjtős multiméter. Viszont ilyened vélelmezhetően van már a fiókban! úgy hívják, Arduino. Ha nem lenne, akkor a TavIR WebShopból is begyűjtheted és már ma a kezedben lehet...

A következő lecke már erről szól...

TavIR-Facebook